اثر زیبک: چگونه تفاوت در دما برق تولید می‌کند

پدیده‌ی اثر زیبک به تبدیل تفاوت دما به ولتاژ الکتریکی و برعکس می‌پردازد. این پدیده به نام فیزیکدان آلمانی توماس یوهان زیبک که آن را در سال ۱۸۲۱ کشف کرد، نامگذاری شده است. اثر زیبک پایه‌ای برای حرارت‌سنج‌ها، ژنراتورهای حرارتی الکتریکی و کالوروترونیک چرخشی است.

اثر زیبک چیست؟

اثر زیبک به تولید یک پتانسیل الکتریکی (یا ولتاژ) در دو رسانای مختلف یا نیمه‌رساناها که در یک حلقه متصل شده‌اند و تفاوت دمایی بین اتصالات آنها وجود دارد، اشاره دارد. ولتاژ متناسب با تفاوت دما و به مواد استفاده شده بستگی دارد.

به عنوان مثال، یک حرارت‌سنج دستگاهی است که از اثر زیبک برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کند. این دستگاه شامل دو سیم از فلزات مختلف (مانند مس و آهن) است که در هر دو انتها به هم متصل شده‌اند. یک انتهای آن به منبع گرم (مانند شعله) و انتهای دیگر به منبع سرد (مانند آب یخ) مرتبط است. تفاوت دمایی بین انتهاها ولتاژی در سیم‌ها ایجاد می‌کند که می‌تواند با یک ولت‌سنج اندازه‌گیری شود.

اثر زیبک همچنین می‌تواند برای تولید برق از گرما ضایع شده استفاده شود. یک ژنراتور حرارتی الکتریکی دستگاهی است که شامل چند حرارت‌سنج متصل شده به صورت سری یا موازی است. طرف گرم حرارت‌سنج‌ها به یک منبع گرم (مانند موتور یا کوره) و طرف سرد به یک سینک گرم (مانند هوا یا آب) متصل شده است. تفاوت دمایی بین طرفین ولتاژی ایجاد می‌کند که می‌تواند بار الکتریکی (مانند چراغ یا مروارید) را تغذیه کند.

اثر زیبک چگونه عمل می‌کند؟

اثر زیبک می‌تواند با رفتار الکترون‌ها در رساناها و نیمه‌رساناها توضیح داده شود. الکترون‌ها ذرات منفی بارداری هستند که در این مواد آزادانه حرکت می‌کنند. وقتی رسانا یا نیمه‌رسانا گرم شود، الکترون‌های آن انرژی جنبشی بیشتری به دست می‌آورند و تمایل دارند سریع‌تر حرکت کنند. این باعث می‌شود که از ناحیه گرم به ناحیه سرد منتشر شوند و یک جریان الکتریکی ایجاد کنند.

با این حال، مواد مختلف تعداد و نوع الکترون‌های مختلفی برای رسانایی دارند. بعضی مواد تعداد بیشتری الکترون دارند و بعضی دیگر الکترون‌هایی با چرخش‌های مختلف دارند. چرخش یک خاصیت کوانتومی الکترون‌ها است که آن‌ها را مانند قطب‌های کوچک رفتار می‌دهد. وقتی دو ماده با مشخصات الکترونی مختلف به هم متصل می‌شوند، یک رابطه ایجاد می‌شود که الکترون‌ها می‌توانند انرژی و چرخش را در آن تبادل کنند.

اثر زیبک زمانی رخ می‌دهد که دو رابطه مورد تأثیر تفاوت دمایی قرار گیرند. الکترون‌ها در رابطه گرم از منبع گرم انرژی و چرخش بیشتری به دست می‌آورند و آن‌ها را از طریق حلقه به الکترون‌های رابطه سرد منتقل می‌کنند. این باعث نامتوازنی بار و چرخش بین رابطه‌ها می‌شود که منجر به پتانسیل الکتریکی و یک میدان مغناطیسی می‌شود. پتانسیل الکتریکی جریان الکتریکی را در حلقه می‌راند، در حالی که میدان مغناطیسی عقربه‌ی کامپاسی که در نزدیکی آن قرار دارد را می‌پیچاند.

کاربردهای اثر زیبک چیست؟

اثر زیبک کاربردهای زیادی در علم، مهندسی و فناوری دارد. برخی از آن‌ها عبارتند از:

• حرارت‌سنج‌ها: این دستگاه‌ها از اثر زیبک برای اندازه‌گیری دما با دقت و حساسیت بالا استفاده می‌کنند. آن‌ها به طور گسترده‌ای در صنایع، آزمایشگاه‌ها و خانه‌ها برای مقاصد مختلف مانند کنترل فرنس، نظارت بر موتورها، اندازه‌گیری دمای بدن و غیره استفاده می‌شوند.

• ژنراتورهای حرارتی الکتریکی: این دستگاه‌ها از اثر زیبک برای تبدیل گرما ضایع شده به برق برای کاربردهای خاص استفاده می‌کنند، مانند تأمین برق فضاپیماها، حسگرهای دور، ایمپلنت‌های پزشکی و غیره.

• کالوروترونیک چرخشی: این شاخه‌ای از فیزیک است که مطالعه می‌کند گرما و چرخش چگونه در مواد مغناطیسی تعامل می‌کنند. اثر زیبک نقش مهمی در این زمینه دارد، زیرا می‌تواند جریان‌های چرخشی و ولتاژ را از گرادیان‌های دمایی ایجاد کند. این می‌تواند منجر به دستگاه‌های جدید برای پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات مانند باتری‌های چرخشی، ترانزیستورهای چرخشی، دریچه‌های چرخشی و غیره شود.

مزایا و محدودیت‌های اثر زیبک چیست؟

اثر زیبک مزایا و محدودیت‌هایی دارد که عملکرد و کارایی آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. برخی از آن‌ها عبارتند از:

• مزایا: اثر زیبک ساده، قابل اعتماد و چندمنظوره است. این اثر نیاز به قطعات متحرک یا منابع برق خارجی ندارد. می‌تواند در محدوده‌ی گسترده‌ای از دماها و مواد عمل کند. می‌تواند برق را از منابع گرما با کیفیت پایین تولید کند که در غیر این صورت ضایع می‌شد.

• محدودیت‌ها: اثر زیبک محدودیت‌هایی ناشی از دسترسی و سازگاری مواد دارد. نیاز به مواد با رسانایی الکتریکی بالا و رسانایی گرمایی پایین برای دستیابی به ولتاژ بالا و ضایعات گرمایی کم دارد. همچنین نیاز به مواد با ضرایب زیبک مختلف برای ایجاد تفاوت ولتاژ دارد. ضریب زیبک ویژگی‌ای است که میزان ولتاژ تولید شده برای واحد تفاوت دما برای یک ماده معین را اندازه‌گیری می‌کند. ضریب زیبک به نوع و غلظت حامل‌های بار، سطوح انرژی آن‌ها و تعامل آن‌ها با شبکه بستگی دارد. ضریب زیبک می‌تواند با تغییر دما، ترکیب و میدان مغناطیسی متفاوت باشد. یافتن مواد با ضریب زیبک بالا و ثابت برای کاربردهای حرارتی الکتریکی چالشی است.

انواع مواد استفاده شده برای اثر زیبک چیست؟

مواد استفاده شده برای اثر زیبک می‌توانند به سه دسته تقسیم‌بندی شوند: فلزات، نیمه‌رساناها و فرارساناها.

• فلزات: فلزات رسانای خوبی برای هم الکتریسیته و گرما هستند. آن‌ها ضریب زیبک پایین و رسانایی گرمایی بالا دارند که آن‌ها را برای کاربردهای حرارتی الکتریکی کم کارایی می‌کند. با این حال، فلزات ساخت و اتصال آسانی دارند و دارای قدرت مکانیکی و ثبات بالا هستند. فلزات معمولاً برای حرارت‌سنج‌ها استفاده می‌شوند، جایی که دقت و پایداری بیشتر از کارایی مهم‌تر است. برخی از جفت‌های فلزی استفاده شده برای حرارت‌سنج‌ها عبارتند از مس-کانستان، آهن-کانستان، کرومیل-آلومل و غیره.

• نیمه‌رساناها: نیمه‌رساناها موادی هستند که رسانایی الکتریکی میانی دارند که می‌تواند با دوپینگ یا اعمال یک میدان الکتریکی کنترل شود. آن‌ها ضریب زیبک بالاتر و رسانایی گرمایی پایین‌تر از فلزات دارند که آن‌ها را برای کاربردهای حرارتی الکتریکی مناسب‌تر می‌کند. با این حال، نیمه‌رساناها ساخت و اتصال سخت‌تری دارند و قدرت مکانیکی و ثبات کمتری نسبت به فلزات دارند. نیمه‌رساناها معمولاً برای ژنراتورهای حرارتی الکتریکی و سیستم‌های خنک‌کننده استفاده می‌شوند، جایی که کارایی و عملکرد بیشتر از دقت و پایداری مهم‌تر است. برخی از جفت‌های نیمه‌رسانا استفاده شده برای دستگاه‌های حرارتی الکتریکی عبارتند از بیسموت تلورید-آنتیمون تلورید، پلاد تلورید-سیلیکون ژرمانیوم و غیره.

• فرارسانا